基于STM32單片機(jī)的數(shù)據(jù)記錄裝置設(shè)計

引言

本文針對電動汽車研究的實際需求，設(shè)計一款數(shù)據(jù)記錄裝置，該數(shù)據(jù)記錄裝置是搭建在電池能量管理系統(tǒng)基礎(chǔ)上的，通過與能量管理系統(tǒng)通信，記錄電動汽車實際運(yùn)行時電池的外部狀態(tài)(如：電池電壓、電流、溫度等)，一方面為了研究電池的工作特性，另一方面為了對能量管理系統(tǒng)的工作情況做驗證，為電動汽車動力電池的理論研究提供數(shù)據(jù)支持。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本數(shù)據(jù)記錄裝置的設(shè)計包括硬件設(shè)計與軟件設(shè)計兩方面，軟件設(shè)計主要包括數(shù)據(jù)接收的編程以及數(shù)據(jù)存儲的編程，而硬件設(shè)計主要有幾個方面：主控芯片的選擇、復(fù)位功能的實現(xiàn)、電源模塊、實時時鐘、通信模塊以及SD卡連接等。主控芯片是控制系統(tǒng)的核心，它內(nèi)部所集成的模塊越多，就能省去更多的外部電路，使得電路的設(shè)計更加簡捷方便。電源模塊用來滿足系統(tǒng)各部分對于不同電壓的需求。實時時鐘，用來準(zhǔn)確記錄系統(tǒng)時標(biāo)。選用SD卡作為存儲裝置以適應(yīng)系統(tǒng)海量數(shù)據(jù)存儲?；诂F(xiàn)在市場上的電動汽車主要是CAN接口，所以本裝置用CAN進(jìn)行通信。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

根據(jù)其實際功能，本數(shù)據(jù)記錄裝置的硬件部分設(shè)計原理圖如圖2所示。

2硬件設(shè)計

2.1主控制芯片選擇選擇STM32F103RBT6芯片作為系統(tǒng)總控制器，STM32F103RBT6是意法半導(dǎo)體有限公司的一款高性能、低成本、低功耗的處理器，它使用高性能的32位的RISC內(nèi)核ARMCortex-M3,工作頻率為72MHz.它的價格較低，零售價大約12元左右。

2.2復(fù)位功能

STM32F103RBT內(nèi)置兩個看門狗，兩個看門狗設(shè)備(獨(dú)立看門狗和窗171看門狗)可用來檢測和解決由軟件錯誤引起的故障，實現(xiàn)軟件復(fù)位;當(dāng)計數(shù)器達(dá)到給定的超時值時，觸發(fā)一個中斷(僅適用于窗口型看門狗)或產(chǎn)生系統(tǒng)復(fù)位。STM32提供上電復(fù)位和掉電復(fù)位功能，給系統(tǒng)提供了更高的安全性、時間的精確性和使用的靈活性，使得程序運(yùn)行更加高效，內(nèi)置的復(fù)位功能可以滿足系統(tǒng)復(fù)位要求。

2.3實時時鐘

STM32F103RBT6中內(nèi)置RTC實時時鐘，實時時鐘是一個獨(dú)立的定時器。RTC模塊擁有一組連續(xù)計數(shù)的計數(shù)器，在相應(yīng)軟件配置下，可提供時鐘日歷的功能。修改計數(shù)器的值可以重新設(shè)置系統(tǒng)當(dāng)前的時間和日期。RTC模塊和時鐘配置系統(tǒng)(RCC-BDCR寄存器)處于后備區(qū)域，即在系統(tǒng)復(fù)位或從待機(jī)模式喚醒后，RTC的設(shè)置和時間維持不變。系統(tǒng)復(fù)位后，對后備寄存器和RTC的訪問被禁止，這是為了防止對后備區(qū)域(BKP)的意外寫操作。

當(dāng)主電源VDD掉電后，通過VBAT腳為實時時鐘(RTC)和備份寄存器提供電源，使用電池或其他電源連接到VBAT腳上，當(dāng)VDD斷電時，可以保存?zhèn)浞菁拇嫫鞯膬?nèi)容和維持RTC的功能。VBAT腳為RTC、LSE振蕩器和PCI3至PCI5端13供電，可以保證當(dāng)主電源被切斷時RTC能繼續(xù)工作。切換到VBAT供電的開關(guān)，由復(fù)位模塊中的掉電復(fù)位功能。

2.4電源模塊

電源模塊為整個系統(tǒng)提供電源，STM32單片機(jī)要求2.0-3.6V的操作電壓，RTC部分需要電池提供后備電源，在這里VBAT采用CRl220紐扣電池和VCC3.3V混合供電的方式，在有外部電源(VCC3.3V)時，CRl220不給VBAT供電。而在外部電源斷開的時候，則有CRl220給VBAT供電。這樣VBAT總是有電的，以保證RTC的走時以及后備寄存器的內(nèi)容不丟失。單片機(jī)供電方面，采用5.OV電源通過AMS公司的AMSlll7電壓轉(zhuǎn)換芯片為單片機(jī)提供3 3V的工作電壓。

2與通信接口

目前電動汽車能量管理系統(tǒng)主要應(yīng)用的數(shù)據(jù)接口為CAN接口。在北美和西歐，CAN總線協(xié)議已經(jīng)成為汽車計算機(jī)控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)總線，并且擁有以CAN為底層協(xié)議專為大型貨車和重工機(jī)械車輛設(shè)計的31939協(xié)議，同時主控芯片STM32內(nèi)置CAN控制器，只要外接CAN收發(fā)器就可以實現(xiàn)CAN通信。為了使系統(tǒng)具有盡可能的廣泛性，數(shù)據(jù)記錄裝置設(shè)計了CAN通訊接口適應(yīng)系統(tǒng)的需要。

2.6 SD卡模塊SD卡允許在兩種模式下工作，即SD模式和SPI模式。引腳定義如表1所示：

本裝置采用SPI模式，與STM32的SPll口進(jìn)行連接通信。

SD卡的SPI通信接口使其可以通過SPI通道進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫。從應(yīng)用的角度來看，采用SPI接口的好處在于，sTM32內(nèi)部自帶SPI控制器，不僅給開發(fā)上帶來方便，同時也降低了開發(fā)成本。

SPI接口的選用是在上電初始時向其寫入第一個命令時進(jìn)行的。

3軟件設(shè)計

軟件調(diào)試采用KEIL公司RealView MDK4 12,它包括了ULVision4集成開發(fā)環(huán)境與ReilView編譯器，自動配置啟動代碼。集成Flash燒寫模塊，強(qiáng)大的Simulation設(shè)備模擬，性能分析等功能。系統(tǒng)軟件部分主要包括數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)存儲。數(shù)據(jù)接收部分用于與能量管理系統(tǒng)的通信，以CAN中斷接收的方式實現(xiàn)通信。在數(shù)據(jù)處理和存儲部分程序中，數(shù)據(jù)處理是對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理轉(zhuǎn)換為常用的單位和格式，數(shù)據(jù)存儲部分負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)按一定結(jié)構(gòu)打包存儲。系統(tǒng)啟動之時，SD卡的初始化是非常重要的，只有進(jìn)行了正確的初始化，才能進(jìn)行后面的各項操作。在初始化過程中，SPI的時鐘不能太快，否則會造初始化失敗。在初始化成功后，應(yīng)盡量提高SPI的速率，在剛開始要先發(fā)送至少74個時鐘信號。

中斷接收流程圖如圖3所示。

數(shù)據(jù)存儲流程圖如圖4所示。

4結(jié)束語

本設(shè)計提出了一種基于STM32的數(shù)據(jù)存儲裝置的設(shè)計方案，成功實現(xiàn)了電動汽車電池相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲，使用CAN通信保證了裝置應(yīng)用的廣泛性，用SD卡作為存儲介質(zhì)，滿足了數(shù)據(jù)存儲容量以及速率上的要求，但同時仍有可以繼續(xù)改進(jìn)的地方，比如可以考慮增加_個USB口，使裝置可以直接接到電腦上查看，存儲和讀取都將更方便，但由于STM32的USB與CAN共用部分SRAM,需要將USB與CAN的運(yùn)行時間錯開。